考虑流变效应的黄土亚塑性本构模型研究

An accurate prediction of long-term settlement of loess foundations for infrastructures is one of the significant problems for construction and maintenance of loess engineering. However, it is still lacking a constitutive model incorporating the stress-strain relationship, strength behavior and rheological characteristics, such as creep and stress relaxation. The loess along Xi'an-Baoji high-speed railway is taken as the study object. A series of shear tests under triaxial conditions are carried out on a high-precision apparatus and the stress-strain relationships and strength behaviors are analyzed. Besides, the rheological effects such as creep and stress relaxation are further discussed by carrying out creep and stress relaxation tests by adjusting the stress- or strain-control loading mode. Based on the theory of hypoplasticity for granular materials, a constitutive model is proposed for loess which has simple structure, few parameters to be calibrated by conventional geotechnical testing and even reflects the rheological effect. The method for calibrating model parameters is suggested here. This model is verified by the aforementioned tests, i.e., shear testing at multiple stress paths, creep tests and stress relaxation tests. It is numerically implemented on ABAQUS 6.12 platform and applied in the simulation of typical sections along Xi'an-Baoji high-speed railway and the promising application of the newly proposed constitutive model in predicting settlement of loess foundations will be discussed.

如何准确地预测构建筑物地基的长期沉降变形是黄土工程建设和维护中的重要难题，亟需建立一种能够同时考虑黄土的变形和强度特性，并能反映土的流变效应的本构模型。本项目拟以西安-宝鸡客运专线沿线黄土为研究对象，首先，采用高精度且可控应力路径的三轴试验仪进行剪切试验，分析黄土的应力应变和强度特性；通过应力和应变加载模式转换实现蠕变试验和应力松弛试验，分析黄土的蠕变和应力松弛特性。然后，根据粗粒土亚塑性理论建立形式简洁、参数较少且易于通过常规土力学试验获取，并能够反映黄土流变性的本构模型，同时提出确定模型参数的方法；通过对三轴剪切试验，蠕变试验和应力松弛试验结果的分析，对模型进行验证。最后，将所建立的本构模型在ABAQUS 6.12平台上数值化，并选取西安-宝鸡客运专线典型路基断面为研究对象，对其长期沉降变形和稳定性进行数值分析，并探讨这种本构模型在黄土地基沉降预测中的应用。

本项目立足于黄土高原典型工程，以西北地区常见Q3黄土为研究对象，主要开展了以下四个方面工作：一、考虑到土的流变是导致岩土工程渐进破坏的关键诱因，紧紧抓住两个核心因素：蠕变和应力松弛，开展室内试验获取了黄土的蠕变和应力松弛发展，相应地提出了蠕变和应力松弛经验模型。通过引入表征粘聚特性的内变量，在传统粗颗粒土亚塑性理论框架基础上建立了黄土的亚塑性本构关系，使其拓展至黏性土力学行为的描述中。然后，结合试验数据验证了该模型的合理性和可靠性。二、热力学边界一直是黄土工程研究中较少考虑的一个细节，为了更好解释周期性冻结与融化过程中典型黄土工程的变形和稳定性，需要了解黄土的细观结构演化特征，通过裂隙形态分析和电镜扫描SEM技术获取了冻融对黄土强度演变的细观作用机理。三、以往黄土水热耦合分析中，常忽略冻融因素的影响，本项目通过引入与冻融循环有关的热传导系数和导水系数实现了对水热耦合迁移的更加合理的理论描述，从理论层面进一步推动了多物理场耦合分析的基本方法的改进与发展。四、黄土边坡稳定性分析常采用强度折减法等基于极限平衡的理论方法进行分析，这里引入一种新的描述黄土力学行为的本构关系——亚塑性本构关系，由于该本构关系与生俱来的描述材料破坏特性的优势，尤其适用于黄土边坡稳定性分析。另外，在边坡稳定性分析中考虑了复杂温度边界的影响，将冻融对物理力学参数的影响考虑其中，合理地考虑了冻融对黄土边坡的影响。五、黄土渠道冻胀破坏是影响陕西省大型灌区运行稳定性与节水灌溉的重要问题，为了合理地描述这一问题，我们采用本项目提出的水热耦合迁移理论，分析了黄土渠道的长期变形和稳定性。总体来看，研究成果紧紧围绕着解决黄土高原典型黄土工程问题为主要目标，积累了黄土流变、强度和细观测试等重要试验数据，除可弥补现有黄土力学理论之不足，也通过本项目的应用性研究，对指导实际工程设计、施工和维护提供更有针对性的理论支持。